利用仿真建模技術(shù)助力設(shè)備高效減振改造

趙杰瑛

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524000）

0 引言

中海油潿洲W11-1A平臺目前共有4臺原油外輸泵（A/B/C/F泵），投運后就一直存在外輸泵區(qū)域甲板及設(shè)備振動偏高問題，對設(shè)備影響較大的問題。高振動問題造成4臺機組故障率較高，嚴重影響平臺的安全穩(wěn)定生產(chǎn)。根據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計的原油外輸泵維修歷史，2010年2月到2017年初，4臺機組共進行大小66次維修，其中大修次數(shù)20次，預估平均每年維修費用超過100萬元人民幣。雖然先后采取了甲板結(jié)構(gòu)加強、管線增加支撐等措施進行減振，但效果一直不明顯。

1 動態(tài)及靜態(tài)振動數(shù)據(jù)采集分析

前期數(shù)據(jù)采集，為了準確反映設(shè)備、甲板結(jié)構(gòu)的振動情況，找到振源以及影響的因素，需要對設(shè)備、結(jié)構(gòu)動態(tài)、靜態(tài)下的振動數(shù)據(jù)采集分析，一方面作為建模分析的數(shù)據(jù)，另一方面作為改造結(jié)束后效果對比。

1.1 外輸泵組進行動態(tài)振動數(shù)據(jù)采集

按照圖1所示采集點采集外輸泵機組取4個點運行情況下動態(tài)振動數(shù)據(jù)。其中，電機取點為1H，1V，2H和2V，泵取點為3H，3V，4H和4V。其中，H表示水平方向，V表示垂直方向。

1.2 外輸泵組進行靜態(tài)振動數(shù)據(jù)采集分析

通過對4臺外輸泵組進行靜態(tài)數(shù)據(jù)采集，分析附近設(shè)備、甲板結(jié)構(gòu)的振動對靜態(tài)外輸泵機組區(qū)域的影響。測試中出現(xiàn)非常明顯的2個頻率，通過分析，一個是平臺壓縮機機組運行產(chǎn)生的影響，另一個是其他外輸泵組運行產(chǎn)生的影響。

1.3 外輸泵甲板區(qū)域振動數(shù)據(jù)采集

采集4臺外輸泵組區(qū)域甲板結(jié)構(gòu)的45個點振動數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)模態(tài)分析，得出初步結(jié)果：外輸泵撬塊區(qū)域甲板存在結(jié)構(gòu)剛度不足問題，機組之間存在相互振動影響，尤其是運轉(zhuǎn)設(shè)備對停機設(shè)備的影響較大。

圖1 外輸泵振動動態(tài)采集點

2 仿真建模分析

對外輸泵區(qū)域進行建模，根據(jù)現(xiàn)場實際布局，需要對模型進行合理簡化（圖2），以避免仿真計算花費大量時間。計算甲板前十階固有頻率及其振型，主要以振型來進行響應分析。甲板結(jié)構(gòu)主要受彎曲變形，通過建模分析發(fā)現(xiàn)甲板以第一階、第三階、第六階陣型圖變形量最大。甲板第一、第三、第六階固有頻率十分接近平臺中層甲板天然氣壓縮機一倍頻、二倍頻、三倍頻，極容易引起甲板共振的產(chǎn)生（圖3）。這是導致外輸泵機組區(qū)域振動大的主要原因。

同時，分別對A，B，C和F外輸泵撬施加載荷激勵，通過模態(tài)分析求解周邊甲板結(jié)構(gòu)的振動頻率響應。通過分析，4臺泵的甲板振動形態(tài)基本一致。

通過以上仿真建模分析可以得出，外輸泵機組甲板區(qū)域由于第一階、第二階和第六階與附件壓縮機機組運行的固有頻率接近，造成在壓縮機組運行過程中甲板面發(fā)生共振，使外輸泵機組在靜態(tài)和動態(tài)狀態(tài)下的振動增大，造成設(shè)備軸承等頻繁發(fā)生故障。

圖2 簡化模型

圖3 甲板的固有頻率

3 確定改造方案

從仿真建模分析中可以得知，改變甲板的固有頻率就可以消除共振問題。對外輸泵底部甲板進行結(jié)構(gòu)勘查，由于外輸泵底部甲板經(jīng)過此前減振措施已經(jīng)多次結(jié)構(gòu)加強，目前無再加強的空間。

現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)表明，外輸泵甲板區(qū)域既存在每臺泵單獨區(qū)域的支撐剛度不足問題，又存在整體性支撐剛度不足問題?，F(xiàn)場觀察，每臺泵的單獨區(qū)域已無繼續(xù)結(jié)構(gòu)加強的空間，也不具備對整體區(qū)域結(jié)構(gòu)進行加強的條件。

3.1 安裝減振器

通過對現(xiàn)場問題的綜合分析，建議采用隔振的方式對泵撬底部安裝減振器。減震器隔振的方式，經(jīng)過彈簧阻尼能消除外輸泵組通過的振動產(chǎn)生的能量，阻止振動傳播，大幅降低附近運行設(shè)備對外輸泵組的影響。

根據(jù)隔振設(shè)備重量、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，計算選用型號為JA-2-900低頻阻尼彈簧鋼減振器（雙彈簧，單根）。該減振器固有頻率f0=2.18 Hz。每個外輸泵機組需要安裝10個減振器，其中8個安裝在撬塊（圖4），2個安裝在進出口管線。根據(jù)隔振效率計算公式得出效率為99.812%，完全滿足要求，說明選型合理。

圖4 減振器布置

安裝減振器優(yōu)點為改造后機器振動不傳向甲板結(jié)構(gòu)，不產(chǎn)生共振和管線拉扯。同時，進出口管線支撐安裝減振器將工藝管線傳遞的振動消除，盡量減少外界對外輸泵機組的影響。

3.2 甲板結(jié)構(gòu)加強

根據(jù)減振器安裝要求，下方支撐位置需要保證足夠支撐強度，因此對現(xiàn)場甲板底部部分位置進行加強。具體位置以減振器位置為基準，計劃焊接H300×100 mm型鋼。

4 改造結(jié)果分析

按照前期設(shè)計的改造方案完成了4臺外輸泵機組的改造：機組撬塊增加8個減振器，進出口管線各增加1個減振器，整個撬塊提升5 mm，分別通過靜態(tài)和動態(tài)進行振動數(shù)據(jù)采集。

4.1 甲板結(jié)構(gòu)改造前后振動數(shù)據(jù)采集分析

圖5為甲板結(jié)構(gòu)45個點改造前后振動數(shù)據(jù)對比。改造前平均振動速度為2.53 mm/s，改造后為0.71 mm/s。最大降幅為3#位置，振動速度從5.9 mm/s下降到0.5 mm/s，降幅為92%。45個點平均降幅為72%。

圖5 外輸泵撬甲板改造前后振動數(shù)據(jù)對比

4.2 外輸泵組改造前后靜態(tài)振動數(shù)據(jù)采集分析

通過對外輸泵A/B/F/C4臺機組每臺4個點分別從水平、垂直2個方向?qū)Ω脑烨昂箪o態(tài)下采集數(shù)據(jù)對比可知，泵組振動速度由改造前的（0.3～3.6）mm/s下降至改造后的（0.2～0.7）mm/s，降幅40%～91%，平均降幅在75%（圖6）。

圖6 外輸泵組改造前后靜態(tài)振動數(shù)據(jù)對比

4.3 外輸泵改造前后動態(tài)振動數(shù)據(jù)采集分析

通過對外輸泵組在運行動態(tài)下振動數(shù)據(jù)采集對比（圖7），4臺泵組改造前振動速度在（0.9～4.8）mm/s，改造后振動速度為（0.6～2.6）mm/s，平均降幅72%～78%。改造后，4臺機組振動速度遠低于石油旋轉(zhuǎn)設(shè)備故障評定標準（Q/HSHF HY002—2014）的要求，即運行設(shè)備振動速度≤7.5 mm/s。

圖7 外輸泵組改造前后動態(tài)振動數(shù)據(jù)對比

5 結(jié)論

海上平臺空間小、設(shè)備安裝緊湊，因此設(shè)備、鋼結(jié)構(gòu)、介質(zhì)管線等振動相互影響，非常容易發(fā)生共振等問題。因此，精準分析尋找設(shè)備振動大的原因，再采取針對性解決措施，是解決問題的有效途徑。

改造結(jié)果分析和改造后設(shè)備多個月的穩(wěn)定運行監(jiān)控，均說明本次減振改造達到了預期效果。同時也說明，利用仿真建模技術(shù)精準分析、找到影響振動的因素再采取相應改造方案，是解決振動的關(guān)鍵因素。

本次改造讓生產(chǎn)更加穩(wěn)定，同時也給平臺帶來了較好經(jīng)濟效益，初步估計每年可以節(jié)省維修費用超過100萬人民幣，還大幅降低4臺泵組的庫存?zhèn)浼瑴p少現(xiàn)場維修部門的工作量，提高了工作效率。